過程控制原理(經(jīng)典部分)-復(fù)習(xí)-revised-2012

1、過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）1化工與環(huán)境學(xué)院化工與環(huán)境學(xué)院過程裝備與控制工程過程裝備與控制工程專業(yè)專業(yè)陳祥光陳祥光2012年年4月月過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (經(jīng)典部分經(jīng)典部分) )過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）2 1.1 簡述自動控制理論的發(fā)展簡述自動控制理論的發(fā)展 1.2 控制系統(tǒng)工作原理控制系統(tǒng)工作原理 1.3 自動控制系統(tǒng)的類型自動控制系統(tǒng)的類型 1.4 基本術(shù)語與概念基本術(shù)語與概念過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第1 1章章) )第第1 1章章 自動控制的基本概念自動控制的基本概念過程

2、控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）3圖圖1 自動控制系統(tǒng)的組成自動控制系統(tǒng)的組成過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第1 1章章) )（1 1）系統(tǒng)組成：控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對象、）系統(tǒng)組成：控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對象、檢測元件四大部分。檢測元件四大部分。實際值實際值過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）4過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第2 2章章) )第第2 2章章 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及數(shù)學(xué)模型控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及數(shù)學(xué)模型2.2 laplace2.2 laplace變換及其應(yīng)用變換及其應(yīng)用2.3 2.3 傳遞函數(shù)傳遞

3、函數(shù)2.3 2.3 方塊圖方塊圖2.4 2.4 信號流圖信號流圖2.5 2.5 自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型自動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.6 2.6 典型環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型典型環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）5過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第3 3章章) )3.2 3.2 典型輸入信號典型輸入信號3.3 3.3 控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)控制系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)3.4 3.4 勞斯穩(wěn)定判據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)3.5 3.5 控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差3.6 3.6 控制系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)控制系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)3.7 3.7 常規(guī)調(diào)節(jié)規(guī)律及其對控制系統(tǒng)性能

4、的影響常規(guī)調(diào)節(jié)規(guī)律及其對控制系統(tǒng)性能的影響第第3 3章章 控制系統(tǒng)的時域分析法控制系統(tǒng)的時域分析法過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）6過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第3 3章章) )時域分析法時域分析法： 控制系統(tǒng)的時間響應(yīng)一般分為兩部分，即控制系統(tǒng)的時間響應(yīng)一般分為兩部分，即瞬態(tài)響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)和和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。時間響應(yīng)可表示為。時間響應(yīng)可表示為式中式中: )()()(tytytyst;)(瞬態(tài)響應(yīng)tyt。穩(wěn)態(tài)響應(yīng))(lim)(tytyts(3-1)過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）7令令 ，即二階系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

5、的，即二階系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的標(biāo)準(zhǔn)形式標(biāo)準(zhǔn)形式為為 )()()(2)(2222txtydttdydttydnnn（3-17) 稱為稱為自然頻率自然頻率或無阻尼振蕩頻率；或無阻尼振蕩頻率； 稱為稱為阻尼系數(shù)阻尼系數(shù)或阻尼比。或阻尼比。n過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第3 3章章) )1pk txktydttdydttydnpnn22222過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）8過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第3 3章章) )3.4.1 3.4.1 穩(wěn)態(tài)誤差和誤差傳遞函數(shù)穩(wěn)態(tài)誤差和誤差傳遞函數(shù)x(s) e(s) )(sgc)(sgv)(0sg)(sgf

6、)(shz(s) y(s)f(s)圖圖3-143-14 控制系統(tǒng)方塊圖控制系統(tǒng)方塊圖過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）9過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第3 3章章) )定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為的誤差傳遞函數(shù)為: :)()(1)()()()(shsgshsgsfsef (3-37)式中式中 )()()()(0sgsgsgsgvc)()(shsg為系統(tǒng)的為系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)開環(huán)傳遞函數(shù)。 在隨動系統(tǒng)中，在隨動系統(tǒng)中，主要輸入信號是給定作用，要求主要輸入信號是給定作用，要求輸出變量隨時跟蹤給定作用。所以輸出變量隨時跟蹤給定作用。所以隨動系

7、統(tǒng)隨動系統(tǒng)的的誤差誤差傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)為為)()(11)()(shsgsxse (3-40)過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）10過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第3 3章章) )3 3.4.2 .4.2 控制系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型結(jié)構(gòu)類型) 1() 1)(1() 1() 1)(1()()(2121stststsstststkshsgnm (3-46)設(shè)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)具有以下形式：設(shè)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)具有以下形式：過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）11過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第3 3章章) )

8、 3.5.1 瞬態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)瞬態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)圖圖3-15(3-15(a)a)單位階躍擾動單位階躍擾動作用下的定值系統(tǒng)響應(yīng)曲線作用下的定值系統(tǒng)響應(yīng)曲線過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）12過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第3 3章章) )圖圖3-153-15( (b)b)單位階躍給定單位階躍給定作用下的隨動系統(tǒng)響應(yīng)曲線作用下的隨動系統(tǒng)響應(yīng)曲線過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）13過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第3 3章小結(jié)章小結(jié)) )(1)(1)系統(tǒng)的系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性及及響應(yīng)性能響應(yīng)性能都由描述系統(tǒng)的微

9、分都由描述系統(tǒng)的微分 方程所決定；方程所決定；(2)(2)系統(tǒng)傳遞函數(shù)分子和分母多項式的各項系數(shù)決系統(tǒng)傳遞函數(shù)分子和分母多項式的各項系數(shù)決 定了定了傳遞函數(shù)極點與零點傳遞函數(shù)極點與零點在在s s平面上的位置；平面上的位置； 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)零、極點的分布決定了系統(tǒng)的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)零、極點的分布決定了系統(tǒng)的 時間響應(yīng)，并表達(dá)了系統(tǒng)的動態(tài)性能。時間響應(yīng)，并表達(dá)了系統(tǒng)的動態(tài)性能。(3)(3)對于線性定常一、二階系統(tǒng)，能夠得出系統(tǒng)結(jié)對于線性定常一、二階系統(tǒng)，能夠得出系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)及構(gòu)及參數(shù)與系統(tǒng)性能參數(shù)與系統(tǒng)性能之間的明確的解析表達(dá)之間的明確的解析表達(dá) 式，這些解析式不但能用來分析系統(tǒng)的性能，而式，這些解析

10、式不但能用來分析系統(tǒng)的性能，而 且也能用來設(shè)計系統(tǒng)。且也能用來設(shè)計系統(tǒng)。 過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）14(4)(4)遠(yuǎn)離虛軸的極點對高階系統(tǒng)的響應(yīng)影響很小，遠(yuǎn)離虛軸的極點對高階系統(tǒng)的響應(yīng)影響很小， 由此導(dǎo)出高階系統(tǒng)由此導(dǎo)出高階系統(tǒng)主導(dǎo)極點主導(dǎo)極點的概念，于是可的概念，于是可 以不求解高階系統(tǒng)的響應(yīng)，而且借用二階系以不求解高階系統(tǒng)的響應(yīng)，而且借用二階系 統(tǒng)的理論去統(tǒng)的理論去分析甚至設(shè)計高階系統(tǒng)分析甚至設(shè)計高階系統(tǒng)。(5)(5)線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是：線性定常系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是： 其特征方程的根其特征方程的根全部位于全部位于s s平面的左

11、半部平面的左半部。(6)(6)采用勞斯判據(jù)不須求解出采用勞斯判據(jù)不須求解出特征方程的根特征方程的根， 就可判斷就可判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的穩(wěn)定性。(7)p.i.d(7)p.i.d調(diào)節(jié)器規(guī)律及其對系統(tǒng)調(diào)節(jié)器規(guī)律及其對系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)調(diào)節(jié)品質(zhì)的影響。的影響。過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第3 3章小結(jié)章小結(jié)) )過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）15過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第3 3章小結(jié)章小結(jié)) ) 表表3-13-1歸納列出了歸納列出了0 0型、型、1 1型和型和2 2型系統(tǒng)在型系統(tǒng)在3 3種輸種輸入作用下入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差。的穩(wěn)態(tài)誤差。 穩(wěn)

12、態(tài)穩(wěn)態(tài) 誤差誤差系統(tǒng)類型系統(tǒng)類型單位階躍單位階躍函數(shù)函數(shù)1)()(tutx單位斜坡單位斜坡函數(shù)函數(shù)ttrtx)()(單位加速單位加速度函數(shù)度函數(shù)221)(ttx輸入輸入 作用作用0形系統(tǒng)形系統(tǒng)2形系統(tǒng)形系統(tǒng)1形系統(tǒng)形系統(tǒng)k110001/k1/k表表3 31 1 以開環(huán)放大系數(shù)以開環(huán)放大系數(shù)k k表示的穩(wěn)態(tài)誤差表示的穩(wěn)態(tài)誤差過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）16過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第4 4章章) )4.1 4.1 根軌跡法的基本概念根軌跡法的基本概念4.2 4.2 繪制根軌跡圖的基本條件和基本規(guī)則繪制根軌跡圖的基本條件和基本規(guī)則4.3 4.

13、3 根軌跡繪制方法舉例根軌跡繪制方法舉例4.4 4.4 系統(tǒng)具有純滯后環(huán)節(jié)的根軌跡系統(tǒng)具有純滯后環(huán)節(jié)的根軌跡4.5 4.5 根軌跡法在控制系統(tǒng)分析和設(shè)計中的應(yīng)用根軌跡法在控制系統(tǒng)分析和設(shè)計中的應(yīng)用第第4 4章章 控制系統(tǒng)根軌跡分析法控制系統(tǒng)根軌跡分析法過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）17過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第4 4章章) )()()()()()(2121nmpspspsszszszskshsg系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)表達(dá)式為：系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)表達(dá)式為：圖圖4-8 4-8 根軌跡的漸近線根軌跡的漸近線 過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京

14、理工大學(xué) 5 5 院）院）18 在已知系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的零、極點情況下，可確在已知系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的零、極點情況下，可確定閉環(huán)的極點，并依此分析系統(tǒng)參量發(fā)生變化時對閉定閉環(huán)的極點，并依此分析系統(tǒng)參量發(fā)生變化時對閉環(huán)極點位置的影響。本章的主要內(nèi)容可歸納環(huán)極點位置的影響。本章的主要內(nèi)容可歸納以下幾點：以下幾點： 系統(tǒng)參量（增益）變化時，系統(tǒng)參量（增益）變化時，閉環(huán)極點在閉環(huán)極點在s s平面上平面上運動的軌跡運動的軌跡稱為根軌跡。稱為根軌跡。當(dāng)以系統(tǒng)開環(huán)增益為變量的當(dāng)以系統(tǒng)開環(huán)增益為變量的軌跡，稱為常規(guī)根軌跡，軌跡，稱為常規(guī)根軌跡，而以其他系統(tǒng)參量作為變量而以其他系統(tǒng)參量作為變量繪制的根軌跡稱為參量

15、根軌跡（繪制的根軌跡稱為參量根軌跡（廣義根軌跡廣義根軌跡）。過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第4 4章小結(jié)章小結(jié)) )過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）19 當(dāng)系統(tǒng)開環(huán)傳遞增函數(shù)零點、極點已知，根據(jù)閉當(dāng)系統(tǒng)開環(huán)傳遞增函數(shù)零點、極點已知，根據(jù)閉環(huán)特征方程得到的幅值條件和相角條件，可以推導(dǎo)出環(huán)特征方程得到的幅值條件和相角條件，可以推導(dǎo)出繪制常規(guī)根軌跡的基本規(guī)則。繪制常規(guī)根軌跡的基本規(guī)則。 滯后環(huán)節(jié)的存在使系統(tǒng)的特征方程成為滯后環(huán)節(jié)的存在使系統(tǒng)的特征方程成為超越方程，超越方程，相應(yīng)的根軌跡有無限多條，相應(yīng)的根軌跡有無限多條，繪制常規(guī)根軌跡所依據(jù)的繪制常規(guī)根

16、軌跡所依據(jù)的幅值條件和相角條件幅值條件和相角條件應(yīng)作一定的修改應(yīng)作一定的修改。 用根軌跡法可確定閉環(huán)系統(tǒng)的零、極點在用根軌跡法可確定閉環(huán)系統(tǒng)的零、極點在s s平面平面上的位置。如系統(tǒng)存在一對主導(dǎo)極點，則可上的位置。如系統(tǒng)存在一對主導(dǎo)極點，則可根據(jù)主導(dǎo)根據(jù)主導(dǎo)極點近似估算出系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)。極點近似估算出系統(tǒng)暫態(tài)響應(yīng)。過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第4 4章章小結(jié)小結(jié)) )過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）20 超前校正環(huán)節(jié)的加入，可使系統(tǒng)的根軌跡左移，超前校正環(huán)節(jié)的加入，可使系統(tǒng)的根軌跡左移，改善系統(tǒng)的改善系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)特性；瞬態(tài)響應(yīng)特性；而滯后校正環(huán)

17、節(jié)的加入，而滯后校正環(huán)節(jié)的加入，可改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，即可改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，即提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第4 4章章小結(jié)小結(jié)) )過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）21過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第5 5章章) )5.2 頻率特性及其與傳遞函數(shù)的關(guān)系頻率特性及其與傳遞函數(shù)的關(guān)系5.3 頻率特性的圖示方法頻率特性的圖示方法5.4 奈魁斯特穩(wěn)定判據(jù)奈魁斯特穩(wěn)定判據(jù)5.5 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量控制系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量5.6 閉環(huán)頻率特性閉環(huán)頻率特性5.7 頻率法在校正裝置設(shè)計中的應(yīng)用頻率法在校正裝置設(shè)計中的

18、應(yīng)用第第5 5章章 控制系統(tǒng)頻率特性分析法控制系統(tǒng)頻率特性分析法過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）22過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第5 5章章) ) 研究系統(tǒng)對正弦輸入信號的研究系統(tǒng)對正弦輸入信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。當(dāng)輸入是正弦信號。當(dāng)輸入是正弦信號時時, , 線性定常系統(tǒng)的輸出也是正弦信號。它們的頻率相同線性定常系統(tǒng)的輸出也是正弦信號。它們的頻率相同, , 而而幅值與相角幅值與相角則有所不同。但輸出信號的幅值和相角還是輸入信則有所不同。但輸出信號的幅值和相角還是輸入信號頻率的函數(shù)。號頻率的函數(shù)。 首先介紹系統(tǒng)的頻率特性函數(shù)首先介紹系統(tǒng)的頻率特性

19、函數(shù), , 即即s=js=j時的系統(tǒng)傳遞函數(shù)時的系統(tǒng)傳遞函數(shù)g(sg(s), ), 然后又研究如何用圖解方法來表示頻率特性函數(shù)然后又研究如何用圖解方法來表示頻率特性函數(shù)g(jg(j) )隨隨的變化情況。的變化情況。bodebode圖方法就是這樣一種圖解方法圖方法就是這樣一種圖解方法, , 它非常適合它非常適合控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計。也討論了控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計。也討論了極坐標(biāo)圖極坐標(biāo)圖和和對數(shù)幅相圖對數(shù)幅相圖兩種圖兩種圖解方法。解方法。 介紹增益裕度、相角裕度、帶寬等概念介紹增益裕度、相角裕度、帶寬等概念, ,研究了頻率域內(nèi)的穩(wěn)研究了頻率域內(nèi)的穩(wěn)定性判別方法定性判別方法nyquistnyquist穩(wěn)定性判據(jù)穩(wěn)定性判據(jù), ,是并通過例子說明是并通過例子說明nyquistnyquist判據(jù)的應(yīng)用。判據(jù)的應(yīng)用。過程控制原理（北京理工大學(xué)過程控制原理（北京理工大學(xué) 5 5 院）院）23過程控制原理過程控制原理復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)( (第第5 5章章) )帶寬帶寬( bandwidth): 從低頻開始到頻率響應(yīng)的對數(shù)幅值下降從低頻開始到頻率響應(yīng)的對數(shù)幅值下降-3db 所對應(yīng)的頻率范圍。所對應(yīng)的頻率范圍。bode圖圖(bode plot):傳遞函數(shù)的對數(shù)幅值與對數(shù)頻率傳遞函數(shù)的對數(shù)幅值與對數(shù)頻率之間的關(guān)之間的關(guān) 系圖以及傳遞函數(shù)的相角